FR2885406A1 - Pompe a chaleur pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire utilisant la chaleur residuelle des eaux usees. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de chauffage de l'eau chaude sanitaire caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif de pompe à chaleur utilisant la chaleur résiduelle des eaux usées stockées dans un réservoir (8) pour chauffer de l'eau chaude sanitaire ou industrielle. Le réservoir (8) intègre une pompe immergée (13) faisant circuler l'eau usée la plus chaude dans un évaporateur (12) en vue de l'extraction des calories par la pompe à chaleur qui transfère ces calories à l'eau chaude sanitaire par un condenseur (20) de la pompe à chaleur. Un dispositif (35) situé à l'intérieur du réservoir (8) permet de diffuser, de manière contrôlée, l'eau refroidie dans l'évaporateur (12) au bas du réservoir (8), en vue de favoriser la stratification thermique de l'eau dans le réservoir (8). Des moyens de contrôle permettent de n'utiliser que des eaux tièdes, dont la température est supérieure à la température de l'eau froide du réseau.

Description

B11666 FR

POMPE A CHALEUR POUR LE CHAUFFAGE DE L'EAU CHAUDE SANITAIRE

UTILISANT LA CHALEUR RESIDUELLE DES EAUX USEES

Contexte de l'invention La production d'eau chaude sanitaire constitue le deuxième poste de dépenses énergétiques pour les habitations domestiques. Elle constitue aussi un poste très important de la consommation énergétique des hôtels, des maisons de retraite, des cuisines collectives mais aussi de nombreuses utilisations industrielles, par exemple dans l'agro-alimentaire. Selon les pays, cette eau chaude est principalement produite soit par des résistances électriques, soit par des chaudières à combustible, soit beaucoup plus rarement par des pompes à chaleur.

Jusqu'à présent, soit les chaudières de production d'eau chaude sanitaire produisent des quantités très importantes de CO2, soit le coût énergétique de la production d'eau chaude sanitaire par électricité est très élevé. Dans tous les cas, les émissions de CO2 associées à la production d'électricité ou associées aux chaudières sont considérées comme trop élevées dans le cadre du développement durable et de l'application du Protocole de Kyoto. Il existe donc un besoin sociétal profond pour concevoir des systèmes à très haute efficacité énergétique pour la production d'eau chaude sanitaire.

Etat de l'art De nombreux brevets comme US 5,301,745, DE 198 17 031 Al, FR 2 529 314, FR 2 823 837, WO 93/07424 et FR 2 820 810 visent à récupérer une partie de la chaleur des eaux usées par un simple échangeur entre l'eau froide entrante et les eaux usées sortantes. Ces dispositifs ont un intérêt mais la quantité d'énergie récupérée est faible.

Description générale de l'invention

La présente invention vise à produire de l'eau chaude sanitaire en minimisant de manière drastique l'énergie 10 électrique nécessaire à la produire.

La présente invention concerne un système de chauffage de l'eau chaude sanitaire caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif de pompe à chaleur comprenant un évaporateur intégré dans un réservoir de stockage des eaux usées. La circulation et le stockage des eaux usées sont organisés de telle manière que l'évaporateur du dispositif de pompe à chaleur puise les calories de la partie la plus chaude des eaux usées.

De préférence, le système est tel que l'eau tiède contenue dans le réservoir de stockage des eaux usées est puisée par une pompe immergée qui prend l'eau la plus chaude en haut du réservoir d'eaux usées qui sont thermiquement stratifiées.

De préférence, le système est tel que l'eau usée refroidie dans l'évaporateur intégré dans le réservoir de stockage des eaux usées est rejetée dans la partie basse du réservoir de stockage des eaux usées en vue de favoriser la stratification thermique d'eau tiède dans le réservoir de stockage des eaux usées et en limitant la vitesse de diffusion de cette eau froide dans le réservoir de stockage des eaux usées par des moyens simples, notamment une plaque anti-remous.

De préférence, le système est tel que l'eau est chauffée instantanément sans stockage d'eau chaude en vue de limiter sa température d'utilisation.

De préférence, le système est tel qu'il permet de ne remplir le réservoir des eaux usées que si la température des eaux usées est supérieure à la température du réseau d'eau froide après le premier remplissage.

De préférence, le système est tel que lors d'un démarrage à froid du système, un dispositif de contrôle et une résistance électrique permettent d'éviter toute prise en glace de l'évaporateur intégré dans le réservoir des eaux usées.

L'invention concerne également un procédé de chauffage de l'eau chaude sanitaire caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de puiser les calories de la partie la plus chaude des eaux usées d'un réservoir de stockage des eaux usées au moyen d'une pompe à chaleur comprenant un évaporateur intégré dans le réservoir de stockage des eaux usées.

La source froide de la pompe à chaleur est constituée par un réservoir où s'accumule les eaux usées, ce qui permet de disposer dans presque toutes les occurrences d'un niveau de température beaucoup plus élevé que la température d'eau froide du réseau. La pompe à chaleur permet de produire instantanément de l'eau chaude sanitaire, sans stockage d'eau chaude, ce qui permet alors de la produire à un niveau de température de 45 C et non plus à un niveau de 60 C comme l'imposent plusieurs législations pour éviter la production de légionnelles dans les ballons d'eau chaude sanitaire.

Les bases de l'invention sont donc de réduire de la manière la plus forte possible l'écart entre la source froide et le puits chaud, ce qui est la garantie de la plus haute efficacité énergétique puisqu'on sait que le rendement idéal d'une pompe à chaleur s'exprime en fonction des températures de source et de puits selon la formule suivante: COP (coefficient de performance) idéal d'une PAC 30 (pompe à chaleur) = Tpuits / Tpuits - Tsource les températures étant exprimées en Kelvin, le puits étant l'eau du réseau à réchauffer pour en faire de l'eau chaude sanitaire.

Le coefficient de performance réel des pompes à 35 chaleur suit la loi de comportement général du COP idéal.

Description détaillée de l'invention

Une description détaillée en utilisant les références numériques portées sur les figures 1 et 2 permettra de mieux comprendre l'invention.

La figure 1 représente le schéma de principe du système selon l'invention.

La figure 2 représente le schéma de principe de la régulation du système selon l'invention.

Le volume 1 de la figure 1 représente de manière générique une source d'eau tiède qui peut être un évier, une machine à laver le linge ou la vaisselle, une baignoire, un lavabo ou toute source d'eaux usées tiède d'une habitation collective ou individuelle ou d'un site industriel. Un collecteur 2 représente lui aussi de manière générique les tuyauteries de récupération des eaux usées provenant des différentes sources d'une habitation collective ou individuelle ou d'un site industriel. Ce collecteur inclut des moyens de filtration adéquats empêchant le dysfonctionnement du système de récupération d'énergie présenté ci-après. Lorsque ces eaux usées ont une température supérieure à la température d'eau froide, elles sont alors dirigées vers le réservoir de stockage 8 où elles sont stockées de manière stratifiées via la tuyauterie 11 conçue de manière à remplir le réservoir de stockage 8 par le haut aidant donc à la stratification thermique de l'eau la plus chaude dans la partie la plus haute du réservoir 8. Lorsqu'il y a une utilisation d'eau chaude sanitaire alors la pompe 13 immergée dans le réservoir 8 est mise en fonctionnement et aspire par la tuyauterie 14 l'eau la plus chaude et la refoule via la tuyauterie 15 dans l'évaporateur 12. L'eau refroidie sort de l'évaporateur par la tuyauterie 16 dans la partie inférieure du réservoir 8, via une plaque anti-remous 35 conçu pour éviter les remous et ainsi évitant le mélange en vue de maintenir la stratification thermique dans le réservoir 8. Cette plaque anti- remous 35 peut être par exemple une plaque anti-remous qui permet d'obtenir une très faible vitesse de diffusion de l'eau froide dans les parties juste au-dessus de la plaque antiremous, la paroi du fond du réservoir servant de brise jet. L'évaporateur 12 intégré dans le réservoir 8 extrait la chaleur résiduelle des eaux usées pour la fournir à la pompe à chaleur à compression de vapeur, qui est constituée principalement par cet évaporateur 12, le compresseur 18, le condenseur 20 et le détendeur 22. Cette pompe à chaleur transfère donc l'énergie thermique de l'eau tiède contenue dans le réservoir 8 pour chauffer l'eau du réseau d'eau chaude sanitaire par le condenseur 20. En effet l'eau froide arrivant par la tuyauterie 24 passe intégralement ou non par la tuyauterie 27 ou partiellement par la tuyauterie 26 en fonction des valeurs de réglage de la vanne trois voies 29. Le débit d'eau froide s'échauffe dans le condenseur 20 et en sort par la tuyauterie 28, la température d'utilisation par un des nombreux postes consommateurs représenté génériquement par le robinet 6 est contrôlée via la sonde de mesure 31 installée sur la tuyauterie 30 qui est elle aussi une représentation générique des tuyauteries d'alimentation d'eau chaude. La régulation globale de température sera expliquée plus loin dans ce texte. Le système est conçu de telle manière que la pompe à chaleur produit de l'eau chaude de manière instantanée. En effet la pompe à chaleur produit de l'eau chaude sanitaire aussi bien lorsque de l'eau tiède est recueillie dans le réservoir 8 en même temps que de l'eau chaude est demandée ou sans que de l'eau tiède usée arrive dans le réservoir, c'est tout l'intérêt de disposer d'une réserve d'eau usée.

Lorsque le système pompe à chaleur est en fonctionnement le fluide frigorigène s'évapore dans l'évaporateur 12 après détente par le détendeur 22 puis il entre dans l'évaporateur par la tuyauterie 23 et en sort par la tuyauterie 17 en ayant extrait de la chaleur utile des eaux usées mises en circulation par la pompe 13 dans le réservoir 8.

Le fluide frigorigène qui s'est évaporé dans l'évaporateur 12 est comprimé à la haute pression par le compresseur 18 et amené par la tuyauterie 19 au condenseur 20. La puissance frigorifique extraite de l'évaporateur 12 plus la puissance du compresseur transférée au fluide frigorigène constituent la puissance thermique de condensation qui est transférée à l'eau froide du réseau entrant dans le condenseur 20 par la tuyauterie 27 et en ressortant par la tuyauterie 28. Le fluide frigorigène sort du condenseur par la tuyauterie 21 puis est détendu par le détendeur 22, ce qui complète le circuit de la pompe à chaleur.

Globalement, la pompe à chaleur a réutilisé la chaleur contenue dans les eaux usées jusqu'à la température d'entrée de l'eau froide permettant ainsi une récupération complète de l'énergie thermique disponible. Pour situer les gains d'efficacité énergétique associés à un tel procédé dans l'usage domestique, en prenant une eau usée rentrant à 35 0C et en considérant que cette eau usée est refroidie jusqu'à 15 C, toutes choses égales par ailleurs, on peut considérer que la température moyenne de cette source froide, au sens thermodynamique du terme, est de 25 C. Comme il n'y a pas de ballon d'eau chaude et donc pas de déperditions liées au stockage à 60 C de cette eau chaude, et compte tenu de la production instantanée de chaleur associée au fonctionnement de la pompe à chaleur, l'eau chaude est. délivrée à 45 C. La température est contrôlée à la fois par le régulateur 40 et la vanne trois voies 29. En prenant en compte des écarts de température standards de 5 K entre d'une part le fluide frigorigène qui s'évapore dans l'évaporateur 12 et le fluide frigorigène qui se condense dans le condenseur 20, les températures moyennes d'évaporation et de condensation sont respectivement de 20 et de 50 C. Le COP idéal d'un tel système vaut donc, dans ces conditions, 323/30 = 10,7. En considérant qu'avec les technologies standard le rapport du coefficient de performance réel d'une pompe à chaleur sur le coefficient idéal est de l'ordre de 70 %, le COP d'une telle machine se situe aux alentours de 7,5. Des essais en laboratoire effectués sur un tel système ont montré des COP réels de 7. Ce système comparativement à une résistance électrique d'un ballon de chauffage consomme 7 fois moins d'électricité sans compter les pertes thermiques, lorsque ces pertes thermiques sont intégrées, la consommation d'énergie est 8 fois moins importante. D'autre part, lorsqu'on compare un tel système à des pompes à chaleur qui utilisent l'air extérieur comme source froide, le COP est amélioré presque d'un facteur 2, les COP typiques des pompes à chaleur pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire étant de l'ordre de 3,5. Pour des niveaux de température supérieurs d'utilisation de l'eau chaude comme dans l'industrie, les mêmes raisonnements s'appliquent mais à des niveaux de température différents, les gains énergétiques étant toujours liés à la récupération des calories dans les eaux tièdes et à leur potentialisation à un plus haut niveau énergétique par une pompe à chaleur.

Régulation et logique de démarrage Les logiques de régulation et de démarrage s'appuient sur les figures 1 et 2 et la description suivante. Le capteur de température 3, qui peut être un thermocouple, une thermistance ou une résistance platine, envoie un signal électrique analogique au module de régulation 40 via la voie d'entrée 41.

Le programme de calcul intégré dans le régulateur 40 compare la valeur de cette température mesurée par le capteur 3 à la température d'eau froide entrante mesurée par le capteur de température 25 qui est relié au régulateur 40 par la voie d'entrée 42. S'il n'y a pas de circulation d'eau froide entrante par la tuyauterie 24 c'est la dernière valeur enregistrée par le capteur 25 et enregistrée par le régulateur 40 qui sera prise en compte pour la comparaison. Si la température de l'eau usée est inférieure à la température de l'eau froide du réseau entrant par la tuyauterie 24, les eaux usées sont alors évacuées par la tuyauterie 5, le régulateur 40 mettant via sa voie de sortie 45 la vanne trois voies 4 dans la position reliant la tuyauterie 2 à la tuyauterie 5 de mise à l'égout. Si, au contraire, la température de l'eau usée mesurée en 3 est supérieure à la température de l'eau du réseau mesurée en 25, alors le régulateur 40 met via sa voie de sortie 45 la vanne trois voies 4 dans la position permettant la circulation de l'eau usée de la canalisation 2 vers la canalisation 7 alimentant en eaux usées tièdes le réservoir 8. Le niveau du réservoir 8 est contrôlé par le contrôleur de niveau électrique 10 relié lui aussi au régulateur 40 via la voie d'entrée 43. Lorsque ce niveau arrive à la position maximale, compte tenu de l'indication du régulateur de niveau 10, le régulateur 40 via sa voie de sortie 46 met l'électrovanne 32 en position ouverte pour que l'excédent d'eau la plus froide, car puisée en bas du réservoir 8, s'écoule hors du réservoir 8 et soit drainé vers le tout à l'égout via la canalisation 33 jusqu'à ce que le régulateur de niveau 10 revienne à sa position basse, ce qui entraîne alors la fermeture de l'électrovanne 32, signal envoyé par le régulateur 40 via sa voie de sortie 46. Le résultat global de ce transfert d'eau est que l'eau la plus chaude a remplacé l'eau la plus froide dans le réservoir 8. De plus, ce remplacement s'est effectué de manière stratifiée, l'eau chaude étant approvisionnée par le haut et l'eau la plus froide étant recueillie puis évacuée par le bas.

Lors du démarrage initial, la première fois que le système est installé, le régulateur 40 met via sa voie de sortie 45 la vanne trois voies 4 dans la position permettant d'alimenter le réservoir 8 quel que soit l'écart de température indiqué respectivement par les sondes 3 et 25, le réservoir est alors rempli jusqu'au niveau maximum contrôlé par le contrôleur de niveau 10.

Contrôle de la température d'eau chaude sanitaire Il existe des réglementations anti-brûlures qui obligent à ce que la température la plus haute de l'eau chaude sanitaire soit fixée à 45 C. Pour les applications domestiques, cette valeur de température maximale ne peut pas être dépassée et est intégrée dans le programme de régulation du régulateur 40.

Cette température peut éventuellement être abaissée en particulière pour des raisons d'économie d'énergie par une entrée 48 du régulateur 40 où l'utilisateur peut abaisser ce seuil de température qui permet alors à la pompe à chaleur de fonctionner à une température de condensation inférieure à 50 C.

Par contre, il ne faut pas confondre cette régulation de température centralisée du système de chauffage et les températures d'utilisation aux différents robinets où les mélanges eau chaude / eau froide peuvent être librement réglés par les utilisateurs selon les moyens classiques des robinets mitigeurs ou mélangeurs.

D'autre part, il existe un rapport température / débit en fonction de la valeur de la température d'entrée d'eau en 24. On sait qu'en fonction de la saison cette eau froide peut varier typiquement de 5 à 20 C. C'est le rôle de la vanne trois voies 29 et du régulateur 40 de fixer le rapport de débit entre la tuyauterie 27 et la tuyauterie 26 et les besoins appelés sur la tuyauterie générique 30 afin de fixer des conditions de condensation stables au condenseur 20. Des moyens complémentaires connus, comme un moteur électrique à vitesse variable du compresseur ou l'utilisation d'une puissance étagée par utilisation de deux compresseurs de tailles différentes ou encore plus simplement par un système marchearrêt du compresseur, permettent de moduler soit le débit moyen, soit le débit instantané de fluide frigorigène afin de maintenir une température de condensation stable en fonction du débit et de la température d'eau passant par la tuyauterie 27 et en vue de maintenir la température de sortie d'eau par la tuyauterie 28 à 45 C environ. Selon les moyens de contrôle du débit du compresseur, le régulateur 40 peut être doté d'entrées et de sorties supplémentaires pour la mise en marche et arrêt du ou des compresseurs ou la modulation du variateur de fréquence. Selon les domaines d'application, les niveaux de température peuvent être aussi adaptés.

Contrôle de la température inférieure Après un arrêt prolongé de l'installation, typiquement associé au départ en vacances des occupants ou toute autre raison, ou au moment du démarrage initial, l'eau stockée dans le réservoir 8 peut être à une température égale à la température d'entrée d'eau froide. Lorsque le besoin de production d'eau chaude sanitaire apparaît, la température de l'eau stockée dans le réservoir peut s'abaisser jusqu'à ce que de la glace soit formée si cette température devient inférieure à 0 C. Pour empêcher cette éventuelle production de glace, une résistance électrique 9 est installée dans la partie haute du réservoir de stockage 8 et est mise en fonctionnement via la sortie 47 du régulateur 40 dès que le capteur température 34 sur la tuyauterie 16 envoie son signal au régulateur 40 par la voie d'entrée 44 indiquant une température inférieure à 2 C. Ce fonctionnement de la résistance électrique est exceptionnel mais il permet d'assurer dans tous les cas la production d'eau chaude sanitaire.

Lorsque la température de sortie d'eau chaude sanitaire mesurée par le capteur 34 devient supérieure à 3 C, le régulateur 40 arrête la résistance électrique 9 via sa voie de sortie 47.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Système de chauffage de l'eau chaude sanitaire caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif de pompe à chaleur comprenant un évaporateur (12) intégré dans un réservoir de stockage des eaux usées (8) ; la circulation et le stockage des eaux usées étant organisés de telle manière que l'évaporateur (12) du dispositif de pompe à chaleur puise les calories de la partie la plus chaude des eaux usées (8).

2. Système selon la revendication 1; le système étant tel que l'eau tiède contenue dans le réservoir de stockage des eaux usées (8) est puisée par une pompe immergée qui prend l'eau la plus chaude en haut du réservoir d'eaux usées qui sont thermiquement stratifiées.

3. Système selon la revendication 1 ou 2; le système étant tel que l'eau usée refroidie dans l'évaporateur intégré dans le réservoir de stockage des eaux usées (8) est rejetée dans la partie basse du réservoir de stockage des eaux usées (8) en vue de favoriser la stratification thermique d'eau tiède dans le réservoir de stockage des eaux usées (8) et en limitant la vitesse de diffusion de cette eau froide dans le réservoir de stockage des eaux usées (8) par des moyens simples, notamment une plaque anti-remous (35).

4. Système selon l'une des revendications 1 à 3; le système étant tel que l'eau est chauffée instantanément sans stockage d'eau chaude en vue de limiter sa température d'utilisation.

5. Système selon l'une des revendications 1 à 4; le système étant tel qu'il permet de ne remplir le réservoir des eaux usées (8) que si la température des eaux usées est supérieure à la température du réseau d'eau froide après le premier remplissage.

6. Système selon l'une des revendications 1 à 5; le système étant tel que lors d'un démarrage à froid du système, un dispositif de contrôle et une résistance électrique permettent d'éviter toute prise en glace de l'évaporateur (12) intégré dans le réservoir des eaux usées (8).

7. Procédé de chauffage de l'eau chaude sanitaire caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de puiser les calories de la partie la plus chaude des eaux usées d'un réservoir de stockage des eaux usées (8) au moyen d'une pompe à chaleur comprenant un évaporateur (12) intégré dans le réservoir de stockage des eaux usées (8).